Ультразвук и его применение в медицине

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны с частотами более 20 кГц.

Верхним пределом ультразвуковых частот условно можно счи­тать 10 9 —10 10 Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния веще­ства, в котором распространяется ультразвуковая волна.

Для генерирования УЗ используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили элек­тромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта (см. § 12.7). Обратный пьезоэффект заключается в механической деформации тел под действием элект­рического поля. Основной частью такого излучателя (рис. 6.13, а) является пластина или стержень 1 из вещества с хорошо выражен­ными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль, ке­рамический материал на основе титаната бария и др.). На поверх­ность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды 2. Если к электродам приложить переменное электрическое напряже­ние от генератора 3, то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствую­щей частоты.

Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса (см. § 5.5). Так, для пластин толщиной 1 мм резонанс возникает для кварца на частоте 2,87 МГц, сегнетовой соли — 1,5 МГц и титаната бария — 2,75 МГц.

Приемник УЗ можно создать на осно­ве пьезоэлектрического эффекта (пря­мой пьезоэффект). В этом случае под действием механической волны (УЗ-волны) возникает деформация кристалла (рис. 6.13, б), которая приводит при пьезоэффекте к генерации переменно­го электрического поля; соответствую­щее электрическое напряжение может быть измерено.

Применение УЗ в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. Рассмот­рим этот вопрос.

По физической природе УЗ, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны УЗ существенно меньше длины звуко­вой волны. Так, например, в воде длины волн равны 1,4 м (1 кГц, звук), 1,4 мм (1 МГц, УЗ) и 1,4 мкм (1 ГГц, УЗ). Дифракция волн (см. § 19.5) существенно зависит от соотношения длины волны и размеров тел, на которых волна дифрагирует. Непрозрачное (для звука) тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой волны с длиной 1,4 м, но станет преградой для УЗ-волны с длиной 1,4 мм: возникнет «УЗ-тень». Это позволяет в некоторых случаях не учиты­вать дифракцию УЗ-волн, рассматривая при преломлении и отраже­нии эти волны как лучи (аналогично преломлению и отражению световых лучей).

Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений (см. § 6.4). Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца — надкостница — кость, на поверхности по­лых органов и т. д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п. (УЗ-локация). При УЗ-локации используют как непрерыв­ное, так и импульсное излучения. В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и от­раженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультра­звука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распрост­ранения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет от­ражаться из-за наличия тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом (см. § 6.4). Чтобы исключить воздуш­ный слой, поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла.

Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглоще­ние существенно зависят от состояния среды; на этом основано ис­пользование ультразвука для изучения молекулярных свойств ве­щества. Исследования такого рода являются предметом молеку­лярной акустики.

Как видно из (5.56), интенсивность волны пропорциональна квадрату круговой частоты, поэтому можно получить УЗ значи­тельной интенсивности даже при сравнительно небольшой ампли­туде колебаний. Ускорение частиц, колеблющихся в УЗ-волне, также может быть большим [см. (5.14)], что говорит о наличии су­щественных сил, действующих на частицы в биологических тка­нях при облучении УЗ.

Сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости — кавитаций.

Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссо­циация молекул.

Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызы­вают в биологических объектах следующие основные эффекты:

— микровибрации на клеточном и субклеточном уровне;

— перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран (см. гл. 11);

— разрушение клеток и микроорганизмов.

Медико-биологические приложения ультразвука можно в ос­новном разделить на два направления: методы, диагностики и исследования и методы воздействия.

К первому направлению относятся локационные методы с ис­пользованием главным образом импульсного излучения. Это эх-энцефалография — определение опухолей и отека головного моз­га (на рис. 6.14 показан эхоэнцефалограф «Эхо-12»); ультразву­ковая кардиография — измерение размеров сердца в динамике; в офтальмологии — ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред. С помощью ультразвукового эффекта До­плера изучают характер движения сердечных клапанов и измеря­ют скорость кровотока. С диагностической целью по скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.

Ко второму направлению относится ультразвуковая физио­терапия. На рис. 6.15показан используемый для этих целей ап­парат УТП-ЗМ. Воздействие ультразвуком на пациента произво­дят с помощью специальной излучательной головки аппарата

Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук часто­той 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см 2 и меньше.

Первичными механизмами ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое действия на ткань.

При операциях ультразвук применяют как «ультразвуковой скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани.

Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жид­кость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. При лечении таких заболеваний, как туберкулез, бронхиальная астма, катар верхних дыхательных путей, применяют аэрозоли различных лекарствен­ных веществ, полученные с помощью ультразвука.

В настоящее время разработан новый метод «сваривания» по­врежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез).

Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы ис­пользуется для стерилизации.

Интересно применение ультразвука для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью портативного прибора «Ори­ентир» можно обнаруживать предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м.

Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биоло­гических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений поистине огромна. Так, можно ожидать, напри­мер, появления принципиально новых методов диагностики с внедрением в медицину ультразвуковой голографии (см. § 19.8).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9641 — | 7526 — или читать все.

18. Ультразвук и его применение в медицине

Ультразвук представляет собой высокочастотные механические колебания частиц твердой, жидкой или газообразной среды, неслышимые человеческим ухом. Частота колебаний ультразвука выше 20 000 в секунду, т. е. выше порога слышимости.

Для лечебных целей применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.

Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Чем больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление ультразвука на границе разнородных сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент отражения.

В организме ультразвук частотой 800—1000 кГц распространяется на глубину 8—10 см, а при частоте 2500–3000 Гц – на 1,0–3,0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.

На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:

1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;

2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;

3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.

Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными для лечебно-профилактических воздействий являются небольшие дозировки ультразвука (до 1,2 Вт/см2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие.

В физиотерапевтической практике используются преимущественно отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.

Ультразвук не применяется на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные органы.

Различают непрерывный и импульсный ультразвук. Непрерывным ультразвуком принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.

Сегодня сложно представить медицинскую диагностику без такого метода, как ультразвуковое исследование. Появившись в середине прошлого века, УЗИ-сканеры произвели настоящую революцию в медицине. Ультразвуковая диагностика продолжает активно развиваться. На смену обычной двухмерной картинке приходят новые технологии. Недавно первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса производства «Калугаприбор» концерна «Автоматика» представил холдинг «Швабе», отвечающий за маркетинговую стратегию и продажи этого оборудования.

О том, что такое ультразвук, как появились УЗИ-сканеры и о новейшей технологии 5D в ультразвуковом исследовании – в нашем материале.

На ультразвуковой волне

Многие помнят определение звука из школьного учебника по физике: «Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом». Таким образом, диапазон звуковых волн лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Звуки именно такой частоты способен слышать человек. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, а с частотой выше 20 кГц – ультразвуком.

В то время как человеку инфразвук и ультразвук недоступны, многие живые существа вполне нормально общаются в этих частотах. Например, слон различает звук частотой от 1 Гц, а в верхнем пределе слышимости лидируют дельфины – максимум слухового восприятия у них доходит до 150 кГц. Кстати, ультразвук вполне способны уловить собаки и кошки. Собака может слышать звук до 70 кГц, а верхний порог звукового диапазона у кошек равен 30 Гц.

Если для некоторых животных ультразвук – обычный способ общения, то людям о наличии в природе «невидимых» звуковых волн лишь приходилось догадываться. Опыты в этой сфере проводил еще Леонардо да Винчи в XV веке. Но открыл ультразвук в 1794 году итальянец Ладзаро Спалланцани, доказав, что летучая мышь с заткнутыми ушами перестает ориентироваться в пространстве.

УЗИ: физические основы

В XIX веке ультразвук произвел настоящий бум в научной среде, стали проводиться первые научные опыты. Например, в 1822 году, погрузив в Женевское озеро подводный колокол, удалось вычислить скорость звука в воде, что предопределило рождение гидроакустики.

Ближе к концу века, в 1890 году, учеными Пьером и Жаком Кюри было открыто физическое явление, которое вошло в основу ультразвукового исследования. Братья Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект. Заключается он в том, что при механической деформации некоторых кристаллов между их поверхностями возникает электрическое напряжение.

Пьер Кюри и кварцевый пьезоэлектрометр

На основе таких пьезокерамических материалов и создается главный компонент любого УЗИ-оборудования – преобразователь, или датчик, ультразвука. На пьезоэлементы подается ток, который преобразуется в механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Пучок ультразвуковых волн распространяется в тканях организма, часть его отражается и возвращается обратно к пьезоэлементу. Основываясь на времени прохождения волны, оценивается расстояние.

Ультразвук в медицине: от лечения артрита до диагностики

В медицине ультразвук вначале использовали как метод лечения артритов, язвенной болезни желудка, астмы. Было это в начале 30-х годов прошлого века. Считалось, что ультразвук обладает противовоспалительным, анальгезирующим, спазмолитическим действием, также усиливает проницаемость кожи. Кстати, сегодня на этом основан фонофорез – метод физиотерапии, когда вместо обычного геля для УЗИ наносится лечебное вещество, а ультразвук помогает препарату глубже проникать в ткани.

Но свое основное применение в области медицины ультразвук нашел как метод диагностики. Основателем УЗИ-диагностики считается австрийский невролог, психиатр Дьюссик. В 1947 году он рассмотрел опухоль мозга, учитывая интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента.

Настоящий прорыв в развитии ультразвуковой диагностики произошел в 1949 году, когда в США был создан первый аппарат для медицинского сканирования. Это устройство мало чем напоминало современные УЗИ-сканеры. Оно представляло собой резервуар с жидкостью, в которую помещался пациент, вынужденный долгое время сидеть неподвижно, пока вокруг него передвигался сканер брюшной полости – сомаскоп. Но начало было положено. УЗИ-сканеры совершенствовались очень стремительно, и к середине 60-х годов они стали приобретать привычный вид с мануальными датчиками.

Благодаря развитию микропроцессорной технологии в течение 1980-1990-х годов качество УЗИ намного улучшилось. В это время ультразвуковую диагностику стали активно применять в различных областях медицины, оценив ее безвредность по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией. Особо широкое применение ультразвук нашел в акушерстве и гинекологии. Уже в конце 1990-х годов во многих странах УЗИ стало стандартным исследованием, с помощью которого определяли срок беременности, выявляли пороки развития плода.

Взгляд изнутри: современные технологии в УЗИ

Сегодня отечественное здравоохранение закупает у зарубежных поставщиков порядка 3 тысяч УЗИ-сканеров в год. Дело в том, что до последнего времени такие устройства не выпускались серийно в России.

Эксперименты по применению ультразвука проводились и у нас в стране. В 1954 году в институте акустики Академии наук СССР даже появилось специализированное отделение, а в 1960-е годы был налажен выпуск отечественных УЗИ-сканеров. Но все они так и остались в статусе экспериментальных, не получили массового применения на практике, а к 1990-м годам и вовсе были замещены импортными аналогами.

В прошлом году Ростех в рамках программы импортозамещения наладил серийное производство российских УЗИ-сканеров – «РуСкан 50» и «РуСкан 60» на мощностях «Калугаприбор», входящего в концерн «Автоматика». Они относятся к среднему и высокому классу, в них применяются новейшие технологии, такие как 3D/4D-изображение, а также эластография, то есть УЗИ с применением дополнительного фактора – давления, помогающего по характеру сокращения тканей определять патологические изменения.

Методы ультразвуковой диагностики продолжают активно развиваться. В этом году к производственной линейке Ростех добавил аппараты экспертного класса. Госкорпорация представила новинку на форуме БИОТЕХМЕД – «РуСкан 65М» в рамках экспозиции холдинга «Швабе», который реализует маркетинговую стратегию и осуществляет продажи изделия. Это первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса.

Что означает определение «экспертный» в классификации УЗИ-сканеров? Основной критерий – это разрешающая способность. Здесь используются высокоплотные датчики, способные различать мельчайшие детали структур. Как упоминалось выше, каждый преобразователь имеет определенный набор пьезоэлементов. В аппаратах недорогого класса плотность этих элементов невысока. Чем больше плотность, тем более точной и достоверной будет диагностика.

Второй, не менее важный критерий – какой набор программ заложен в данном оборудовании. Для того чтобы обеспечивать высокий уровень исследования, как правило, применяют очень дорогие пакеты программного обеспечения. Это позволяет визуализировать наиболее тонкие детали, изменения структур органов, сосудов и тканей. Кстати, в «РуСкан 65М» программное обеспечение – российского производства.

В новом изделии не только улучшено качество получаемого изображения, но и внедрены автоматизированные методы его обработки и анализа. Так, визуальную оценку плода осуществляет программа реконструкции полупрозрачного 3D УЗИ Crystal Vue, которая за счет усиления визуализации одновременно наружных и внутренних структур в одном реконструированном трехмерном изображении позволяет увеличить информативность и диагностическую достоверность исследования за счет повышения контрастности и подсветки внутренних структур дополняет объемное изображение морфологической информацией об объекте исследования, повышая точность диагностики. Среди других технологий новинки – программа автоматического анализа образований молочной железы S-Detect Breast. Еще одна функция изделия – фантастическая 5D Heart Color, которая реконструирует девять проекций сердца плода с одновременным отображением кровотока. Полученные данные позволяют наиболее детально оценить сердце на предмет врожденных патологий.

Таким образом, в течение нескольких десятилетий применение УЗИ в медицине претерпело огромные изменения, особенно в акушерстве: от простого измерения размеров плода до детальной оценки его кровотока и внутренних органов. То, что было технически невозможно еще совсем недавно, сегодня превращается в привычную составляющую рутинного ультразвукового исследования.